Wat is elektriciteit?

In dit artikel neem ik je mee in mijn onderzoek naar elektrotechniek. Want wat is stroom, waar komt het vandaan en hoe wekt het apparaten tot leven? Een fascinerend onderwerp waar ik, net zoals bij een goed schilderij, bij kan verdwalen in fantasie.

Hoe ziet een elektrisch deeltje eruit?

Energie bestaat uit drie delen: positieve, negatieve en ontladen deeltjes. In de kern heb je neuronen (ontladen-) en protonen (positieve deeltjes). In de laag eromheen vind je electronen (negatieve deeltjes). Protonen en electronen zijn aangetrokken tot elkaar, wat de atoom bij elkaar houdt. 

De hoeveelheid atomen, neuronen en electronen wisselen voortdurend af (aka. de ‘flow’) en zorgt voor een statische lading. Vroeger ging dit over een draad dat geleidde, maar tegenwoordig kan een lithium batterij een apparaat (of auto) ook van stroom voorzien. Dat komt doordat er in een batterij voortdurend chemische reacties plaatsvinden dankzij het accuzuur. Dit zorgt voor een statische lading. Die lading wordt gemeten in coulombs. Eén coulomb staat gelijk aan 6,242,000,000,000,000,000 protonen. Eén standaard 9-volt batterij bevat gemiddeld 20 coulombs, dat komt overeen met 10,000,000,000,000,000,000,000 actieve (opgeladen) protonen. In de volksmond praten we liever over amperes, omdat dit iets zegt over de bewegingssnelheid van de flow. 1 ampere (aka. A of amp) staat gelijk aan 1 coulomb per seconde. Het zegt iets over de van de flow. Grote apparaten zoals wasmachines en vriezers gebruiken veel amperes, maar telefoons en camera’s niet. Bij deze kleine apparaten spreken we over milliamperes (mA); 1 mA staat gelijk aan 0.001A (1/1000ste ampere).

Kortom, we hebben:

• Coulombs
• Actieve coulomb
• Miliampere (1/000ste ampere)
• Ampere (= 1 active coulomb)

AC versus DC

Energie moet heen en weer over lange afstanden. Dat kan niet direct. Daarom bestaat er alternating current (AC). Iedere seconde wisselt de verzender en ontvanger 60x van plus naar min. Dit noemen ze de Hz. Het gevolg is dat de energie statisch blijft en daarmee over lange afstanden kan reizen. In iedere meterkast komt gemiddeld 25 tot 80 ampere binnen, gecombineerd met 230 of 240 volt. Dat is goed voor een maximum capaciteit van 6kWh tot 19.2kWh per stop. Voor ieder huishoudelijk apparaat is dat teveel, dus bestaat er een voeding dat het AC formaat omzet tot DC. Zo’n voeding zit in ieder apparaat: van televisies tot opladers. Het is een vak om AC om te zetten naar DC. Dit is de reden waarom voedingen – zoals telefoonopladers – zo duur zijn; er zit veel techniek in.

Begrippen
AC. Alternating current. Wisselt 60x per seconde van plus naar min om energie over lange afstanden in sterke hoeveelheden te sturen. Doordat het wisselt, blijft de statische lading in tact. Hierbij gaat het om grote hoeveelheden energie.
DC. Direct current. Geschikt voor direct gebruik. Het converteren van AC naar DC is vereist. Bij een telefoon, televisie of computer gaat dit via een voedingsadapter. Hierbij gaat het om kleine hoeveelheden wattage (ampere * volt).

Voltage

Voltage vertelt hoeveel energie geleverd kan worden. Dit wordt gemeten door het verschil in de kern en de electronen (plus – min) te meten, aangevuld door een indexwaarde (grond, 0-volt). Dit verschil is de hoeveelheid voltage die je kunt verwachten bij de doorvoer van energie. 

Weerstand

De weerstand wordt uitgerdrukt in Ohms. Het vertelt hoe snel stroom wordt doorgevoerd. Dit bereken je door 2 van de 3 eigenschappen te delen zoals weergegeven in alle drie de formules hieronder. 

V = I * R
R = V / I
I = V / R
Legenda: Voltage (V), Resistance (R), I (Ampere)

Voorbeeld:

• Als je -5v hebt en 10Ω, hoeveel ampere vloeit er door de kabel? Formule: I = V / R. Som: -5v/10Ω = 0.5 ampere (500 mA).
• Stel je hebt 10v en je wilt 2A doorvoer hebben, hoeveel weerstand heb je dan nodig? Formule: R = V / I. Som: 10v/2A = 5Ω.
• Stel de batterij heeft 9V en je wilt dat er slechts 5mA geleverd wordt, hoeveel weerstand heb ik dan nodig? Formule: R = V / I. Som: 9v/0,005 = 1.800Ω.

Wattage berekenen

In de volksmond praat men over wattages om het stroomverbruik te berekenen. Aan de hand van de hoeveelheid volt en amperes kan je het verbruik meten. Dit gaat door middel van de onderstaande formule.

W = V x AA = W / VV = W / A
Legenda: W = Wattage, V = Volt (standaard: 230/240v EU, 110/120v VS, 60 Hz), A = Ampere

Voorbeeld:

• Hoeveel wattage wordt er gebruikt bij een MacBook oplader? Formule: W = V * A. Som: 20v * 4.8A = 96 watt.
• Hoeveel ampere gebruikt een iPhone oplader? Formule: A = W / V. Som: 5w / 230v = 0.02A.
• Hoeveel volt gebruikt een tv? Formule: V = W / A. Som: 202w /  0.87A = 230v. 

Circuit

We hebben: Amperes, Volt en Weerstand. Gecombineerd leidt dit tot energie dat apparaten in beweging zet. In zo’n apparaat heb je een stroomcircuit nodig om de energie op de juiste manier in te eztten. In de regel geldt: als je niet genoeg weerstand biedt, wordt je apparaat verwoest door een te hoge spanning (hoge spanning is een combinatie van ampere en volt; zonder weerstand wordt je apparaat opgeblazen. Je zet dan namelijk 25A en 230V op je apparaat (= 6kWh) als je direct vanuit de meterkast een apparaat aansluit. Dat is gegarandeerd overbelastend. 

Dit curcuit teken je eerst op de computer. De symbolen worden hieronder uitgelegd.

Pas je dit in praktijk toe, dan ziet het circuit er als volgt uit.

Uitleg: batterij (plus en min) zijn aangesloten op het bord. Positief (rode kabel) geleidt energie naar de weerstand. Het resultaat van de weerstand vloeit via de blauwe kabel door naar de rode lamp. De min vloeit via de zwarte kabel ook naar de led lamp, wat, in combinatie met positief, leidt tot een elektrische reactie. Het resultaat is dat de 9v batterij, gecombineerd met de 0.5w lamp en voldoende weerstand, zorgt voor een output van 0.056A en een weerstand van 162Ω. 

Coil Whine (Electromagnetically induced acoustic noise)

Zodra elektra over een elektromagneet loopt, kan het element vibreren. Dit zorgt voor een hoge toon. Ieder hardwarecomponent dat gebruik maakt van een elektromagneet kan hier last van hebben, van videokaarten tot processoren en harde schijven tot iPhones aan toe.  Het vastzetten van de elektromagneet lost dit probleem op.

Deze informatie had ik niet zonder bronnen kunnen uitleggen. Ik ben er in mijn zoektocht een paar kwijtgeraakt, maar de onderstaande bronenn geven je een vakkundig inzicht in hoe het werkt.

Bronnen
J. Bartlett, Electronics for Beginners. Via oreilly.com
Noordhoff, Elektrotechniek voor werktuigbouwkundigen
Ampere/coulombs, https://www.natuurkunde.nl/vraagbaak/15621
Watt/Volt/Ampere/Ohms berekenen: https://www.rapidtables.com/calc/electric/watt-volt-amp-calculator.html